Датчики CO2: обзор, конструкции, производители

Несмотря на то что в обиходе слово «воздух» часто заменяется на «кислород», на самом деле, это не единственный его компонент. В составе воздуха только 21 % кислорода и почти 79 % - азота. И только 0,03 % составляет уровень CO2 в воздухе. Однако данный газ имеет важнейшее значение для живых организмов. С этим связана актуальность использования CO2-датчиков для измерения его концентрации.

Необходимость датчиков

Во многих случаях концентрацию углекислого газа - CO2 измеряют не в процентах, а в промилле (ppm).

Если уровень данного газа в воздухе возрастает, человек начинает ощущать сонливость, усталость, духоту, потерю функции сосредоточения, теряется внимание, появляется лишняя раздражительность, снижается работоспособность.

Сильное увеличение концентрации данного газа приводит к приступам удушья или даже к потере сознания.

Газообмен в клетках

В закрытых непроветриваемых комнатах в воздухе ощущается недостаток кислорода и избыток углекислоты. При этом человек начинает в большом объеме потреблять остатки кислорода, все более насыщая воздух углекислым газом. Диффузионная способность последнего превышает таковую у кислорода в 25-30 раз, что и обусловливает повышенную чувствительность человека к его избытку.

Нормальный газообмен в организме человека протекает лишь при оптимальном значении парциального давления углекислоты в крови.

Изменение данного значения в любую сторону способствует тому, что транспортировка кислорода к клеткам ухудшается. При задержке дыхания перенос углекислоты не прекращается; глубокий вдох после этого обусловлен возрастанием величины парциального давления CO2.

Таким образом, нахождение человека в течение длительного промежутка времени в помещении с высокой концентрацией углекислого газа, способствует возникновению негативных последствий. Поэтому всегда делался акцент на том, что помещение необходимо проветривать для вентиляции. Датчик CO2 позволяет осуществлять контроль воздухообмена.

Классификация датчиков

По источнику питания датчики CO2 классифицируют на:

• стационарные, которые работают от обычной электрической сети, монтаж которых возможно осуществлять на стены, столы, полы и воздушные каналы;
• автономные, которые работают за счет аккумуляторной энергии.

В воздуховодах концентрация CO2 определяется с помощью канальных датчиков, в офисных и жилых помещениях — комнатных датчиков.

Усовершенствованные датчики способны осуществлять менеджмент системы вентиляции, регулируя расход приточного воздуха и осуществлять калибровку на открытой местности.

В современных приборах подобного типа предусмотрена возможность осуществления контроля не только уровня загазованности диоксидом углерода, но и температурного и влажностного режимов, некоторые модели могут информировать о возникновении задымленности помещения.

Устройство газоанализатора диоксида углерода

Недисперсионные устройства оснащаются светофильтрами либо приемниками, принцип работы которых схож с первыми. Также в данном устройстве присутствует рабочая камера, из которой воздух перетекает в следующий приемник.

Источником излучения может быть инфракрасный лазер, светодиод, нагретая спираль.

В инфракрасных датчиках применяются селективные приемники, элементы полупроводников, болометры и термобатареи. В селективном приемнике используется немонохроматическое излучение, в остальных случаях датчики имеют в своем составе фильтры интерференционные или газовые. В некоторых моделях используется сборный фильтр, состоящий из двух, один из которых пропускает ИК-полосу заданного диапазона, а другой — не пропускает.

Рассогласование сигналов осуществляется с помощью использования вычислительного устройства и сборного детектора, расположенных сзади фильтра.

Те датчики, которые предназначены для работы на открытой местности, производятся из поликарбоната РС. Для работы внутри помещений используются приборы из акрилонитрил-бутадиен-стирола, поскольку у них пониженная ударопрочность и более низкий температурный диапазон.

Датчики диоксида углерода способны избирательно поглощать молекулу СО2. Дисперсионные датчики используют одноволновое излучение, получаемое монохроматографом.

Эксплуатация

Их монтируют в зоне непосредственного обслуживания или вытяжном воздуховоде.

Для предотвращения газообмена между кислородом воздуховода и анализатора корпус последнего необходимо изолировать.

С целью доступности информации, выдаваемой датчиками, их размещают на оптимальной высоте в освещенном пространстве.

Если определяется уровень СО2 на открытом воздухе, то после выноса прибора по инструкции осуществляют его продувку.

Известные проблемы

В случае если прибор подвержен влиянию ветра, пыли, осадков, вибрации, удару пара, непосредственно перед ним нужно монтировать грязевой щиток.

Если вода попадет в корпус прибора, он может выйти из строя. В большинстве случаев действие воды распространяется на концы проводов, поскольку у прибора достаточно герметичный корпус. Тогда есть риск возникновение коррозии, ослабления клеммных соединений. С целью предотвращения этого необходимо осуществлять обработку антикоррозийными жидкостями и производить блокировку портов, не используемых в текущий момент времени.

Вентиляция нескольких помещений одним датчиком

Для этого могут использоваться приточно-вытяжные датчики ZENIT и ZENIT HECO, а также бытовое оборудование I-VENT и CAPSULE.

На приточном канале в каждом помещении устанавливается пропорциональный клапан. При наличии вытяжки в каждом помещении там также располагается подобный клапан. Для каждого вытяжного канала или даже для помещения устанавливается свой sensor CO2, на котором монтируется VAV-система изготовителем.

При попадании человека в охваченные помещения датчик фиксирует увеличение концентрации углекислоты. Пропорциональный клапан имеет электропривод, на основании чего осуществляется регулировка воздухообмена.

В этом случае качество воздуха в помещении поддерживается на самом высоком уровне. Концентрация CO2 в воздухе находится в оптимальных значениях.

По мере входа-выхода людей в помещения с воздухообменом, контролируемым датчиками, он возрастает или уменьшается до оптимальных значений.

Можно применять и один датчик вместо нескольких в вытяжном канале, однако один прибор фиксирует суммарную концентрацию на все комнаты с единым вытяжным вентилятором. Воздухообмен будет регулироваться одинаково, что не всегда оправдано.

Вентиляция одной комнаты одним датчиком

Для этого устанавливается только датчик CO2 в вытяжном канале (монтаж осуществляет изготовитель). Воздухообмен регулируется автоматически. В качестве датчиков могут использоваться те же марки, как и для вентиляции нескольких помещений.

При этом создается система вентиляции, имеющая оптимальные характеристики, полностью автоматизированная, характеризующаяся небольшими эксплуатационными затратами.

Расчет вентиляционной системы по углекислому газу

Для расчета необходимо владеть информацией об уровне исследуемого газа за окном, человеческом потоке в исследуемых помещениях, какой физической активностью заняты люди, пребывающие в данных помещениях, какая концентрация углекислоты необходима.

С целью компенсации выделения CO2 каждым человеком рассчитывается воздухообмен по формуле L=(G×550)/(X₂-X₁). Сделаем необходимые пояснения:

• L - воздухообмен, м³/ч;
• X₁ — уровень углекислого газа в приточном воздухе, ppm;
• X₂ - ПДК CO2 в воздухе комнаты, ppm;
• G — объем углекислоты, выделяемой каждым человеком, л/час;
• 550 – коэффициент, использующийся для преобразования величин X₁ и X₂ в г/м³из ppm.

Выделение углекислоты каждым человеком составляет в среднем 23 л/ч, при этом в большем объеме выделения отмечаются при тяжелой физической работе (до 63 л/ч), легкой работе (до 36 л/ч) и ходьбе (до 33 л/ч). Наименьший объем данного газа выделяется во время сна (12 л/ч), сидячей и офисной работы (15-18 л/ч).

Концентрация этого газа в сельской местности составляет 332 ppm. Города загазованы больше. Так, в небольших городах с численностью населения до 300 тыс. человек эта величина составляет 409 ppm, а в городах с большей численностью — 511 ppm.

Качество воздуха в жилых и офисных помещениях по DIN EN 13779

В этом нормативном документе установлена классификация по превышению содержа­ния СО2 в помещении по отношению к концентрации наружного воздуха.

Здесь установлено, что высококачественный воздух имеет типовой диапазон <400 ppm, воздух среднего качества — 400-600 ppm, воздух удовлетворительного качества — 600-1000 ppm, низкокачественный воздух - >1000 ppm.

Регулирование подачи воздуха

От того, насколько эффективно производятся измерения датчиком углекислоты, зависит эффективность работы вытяжного вентилятора. В то время, когда в помещении находится много людей, система вентиляции должна работать на пределе своих возможностей. По мере уменьшения числа людей в комнате подача воздуха должна постепенно снижаться, вплоть до полной остановки подачи воздуха. Это может достигаться с помощью последовательных циклов включения и отключения нескольких вентиляторов или возможного применения вентиляторов, имеющих двухскоростной электропривод, а также при динамичном снижении или повышении числа оборотов электроприводов вентиляторов при частотном регулировании. Последний способ является наиболее предпочтительным.

Рассмотрим некоторые датчики уровня концентрации углекислого газа российского производства, а также иностранные.

Датчики уровня CO2 от SenceAir

Данная шведская компания является мировым лидером в области проектирования и производства рассматриваемых типов газоанализаторов. Устройства, производимые этой компанией, отличаются высокими эксплуатационными свойствами. Они могут подключаться к ПК, в результате чего можно добиться длительной работы этих приборов. Диапазон измерения составляет до 5000 ppm с точностью 30 ppm. Используется сенсор NDIR.

Детектор углекислого газа от компании «Мастер Кит»

Этот прибор по заверению производителя способен определять концентрацию CO2 в диапазоне от 0 до 3000 ppm с точностью при измерении от 0 до 2000 ppm в районе 10 % (при больших значениях точность не указана).

Эксплуатироваться прибор должен при температуре +25 °С. При несовпадении температуры необходимо вносить соответствующие поправки. Применение прибора не может осуществляться при t, превышающей +50 °С, и если она ниже 0 °С. Данный параметр измеряется с помощью рассматриваемого детектора. Температура может выражаться как в градусах Цельсия, так и в градусах Фаренгейта.

У прибора есть светодиодные индикаторы, показывающие уровень загазованности углекислотой: зеленый при концентрации до 800 ppm, желтый — от 800 до 1200 ppm, красный — при уровне более 1200 ppm. Эта информация нанесена на коробку с прибором.

Страна изготовления — Китай. Прибор комплектуется USB-кабелем и инструкцией, которая приведена на русском языке. Кабель необходим для обеспечения питания прибора. Эксплуатация данного прибора предполагает использование «родного» USB-кабеля, поскольку не каждый сюда подойдет.

Продолжительность жизни сенсора — 5-10 лет.

Калибровку нужно осуществлять каждые три года. Для этого, а также для построения графиков по данным, полученным с помощью детектора, используется специальная программа, доступная для ОС Windows, а также в виде исходных кодов — для семейства ОС GNU/Linux (графики), созданная независимым программистом и не поддерживаемая компанией.

В качестве сенсора выступает не химический, а NDIR-сенсор, относящийся к современным устройствам.

Предназначен датчик CO2 для дома. Это обусловлено тем, что у него невысокая точность 100 ppm.

Прибор отечественного производства

ООО «Квазар» выпускает множество газоанализаторов, в том числе и датчик СО2 под маркой «ОКА-Т-CO2».

Этот датчик монтируется на DIN-рейку. Индикация показаний — цифровая.

Как и у иностранных аналогов, у него есть интерфейс для связи с компьютером.

В отличие от зарубежных аналогов данный прибор градуирован не в ppm, а в объемных процентах. Диапазон измерений — от 0 до 5. При 0,5 % прибор подает сигнал, что можно настроить. Относительная погрешность прибора, по заявлениям производителя составляет 25 %, что достаточно много по сравнению с предыдущими рассматриваемыми моделями.

Поверка должна производиться ежегодно. Плюсом является широкий температурный диапазон работы — от -40 °С до +50 °С.

В заключение

Датчики углекислого газа отображают информацию в цифровом виде. Она необходима для того, чтобы человек всегда был в тонусе, хорошо себя чувствовал. Существуют подобные приборы как иностранного, так и отечественного производства.